监测太阳“打喷嚏”的“千眼天珠”

飞机从稻城亚丁机场起飞，从舷窗往外看，地面隐现一个小圆点。这个被群山环绕的小圆点，其实是个大家伙，它真实的名字叫圆环阵太阳射电成像望远镜，位于海拔3820米的四川省甘孜州稻城县，是目前全球规模最大的综合孔径射电望远镜，也是国家重大科技基础设施“空间环境地基综合监测网”（子午工程二期）的标志性设备之一。

天珠是高原藏区的一种宝石，又称天眼珠。在藏族文化里，天珠被认为是珍贵的“天降石”，寓意着吉祥美好、健康财运。加之这个圆环阵俯瞰起来像一颗颗宝石，因此圆环阵太阳射电成像望远镜便有了“天眼天珠”的美称。

“千眼天珠”本质上是一座天文望远镜，观测的电磁波是射电波段。这是一种波长比可见光更长的“光”，我们常见的手机通信、无线网络通信技术工作的频段就是射电波段。

大多数射电天文望远镜是单口径的，也就只有一个“锅”，例如“中国天眼”（全称为500米口径球面射电望远镜）。但稻城的圆环阵太阳射电成像望远镜不一样，它是由数百个小“锅”组成的一个观测阵。这种阵列望远镜，天文学上叫作综合孔径望远镜。

作为离地球最近的恒星，太阳给地球和人类带来了光和热，孕育了地球上的生命。但当它“打喷嚏”的时候——强烈的太阳爆发会释放出100亿颗百万吨级原子弹的能量。如果爆发时抛射出来的带电粒子飞向地球，等离子体团携带的巨大能量就會对地球的磁场、电离层、高层大气密度产生严重的影响。这些对地球空间环境产生扰动的事件叫做“空间天气事件”，会引起地球空间环境剧烈响应。

随着科学技术的发展，空间天气（由太阳活动引起的短时间尺度的变化被称为空间天气）事件对人类社会的影响越来越大，比如电离层扰动会影响卫星导航定位的精度，磁场的变化会在地面电网、高铁等大环路导体中产生超强的感应电流，带来线路故障等。

这时，“千眼天珠”就派上用场了——它像一部超大“射电相机”，对着太阳拍照，给科学家们播报“空间天气预报”。不过，虽然全球监测太阳“打喷嚏”的设备不少，有Y字形、螺旋形等多种形状，但做成圆环阵的仅此一个。

在“千眼天珠”的建造过程中，科研团队原创性提出圆环阵列构型和中心定标总体方案，即“千眼天珠”由313台直径6米的白色反射面天线组成，天线均匀分布在直径1公里的圆环上，圆环中心有一座约百米高的中心定标塔。

每天太阳升起前，313台天线同时对准中心定标塔进行对焦校准，保证射电镜头能够很好地成像。太阳升起后，它们就像向日葵一样对准太阳，随着太阳转动。太阳落山后，“千眼天珠”并没有“下班”，它还有其他观测任务，如探测空间碎片、脉冲星和静止轨道卫星等。

由于太阳的射电特征是快速变化的，普通的单口径射电望远镜逐点扫描已不适用，需要一个射电频段的“镜头”对太阳拍照。

那么，“千眼天珠”为何要做成圆环状？因为我们看到的圆环阵，它的一圈天线以及后面的信号处理系统加在一起，等效于一个射电频段的镜头，这样我们就有了一部“射电相机”。更大镜头才能拍下更高质量的照片，圆环阵的接收面积等效于一台106米的单口径天线的接收面积，有利于更好地分析太阳活动。

视场，简单理解就是望远镜一次观测所能看到的区域大小。而视场大小和望远镜接收信号的“锅”的口径紧密相关：口径越大，视场越小。我们以生活中的常见物品来解释，比如半径越大的放大镜，焦距越大，越能放大物体的局部，但是看到的视场就越小。你也可以想象一下，平时我们用手机拍照，扩大焦距虽然能放大物体的局部，但我们看到的范围却变小了。

此外，小口径的望远镜建造技术相对成熟，成本较低、风险较小。当然，口径越小也就意味着接收到的辐射能量越弱。所以，综合科学目标和成本，科研人员给“千眼天珠”选择了相对较小的6米口径，使其能有较大的视场。

保证了视场之后，我们需要分辨视场内尽可能多的像素点。天文学上，用角分辨率（成像系统或系统的一个部件的分辨能力）来指代观测精细程度。角分辨率与望远镜可以接收到信号的范围尺度成反比，这与上述放大镜原理类似，尺寸越大，看到的结构越精细。

对于单口径望远镜而言，不论角分辨率是多少，它能看到的都只是这个方向上的一个像素点。而对于阵列而言，信号接收范围则是阵列分布范围的最远距离，这个距离在天文学上被称为基线长度。稻城太阳射电望远镜的基线长度为1千米。

在成像概念里，阵列用到的物理原理是光波干涉。如右图所示，宇宙中，两个点发出的光波在望远镜平面处会形成明暗相间的干涉条纹。科学家通过对干涉条纹进行处理，就能还原出空间中哪个地方有发出光波的源。望远镜的最大间距越大，条纹越精细，科学家还原出来的辐射光波的点也就越精细，即得到的图像分辨率也就越高。

“中国天眼”有500米口径的接收面积，是世界上灵敏度最高的射电望远镜，非常擅长脉冲星和快速射电暴观测，但不具备全天扫描能力。而“千眼天珠”的优势在于，具备高灵敏度的同时，通过313个小天线实现如同射电相机般的功效，对于像太阳之类的射电源可以连续拍摄视频。同时，它确定快速射电暴坐标位置的能力更优。由此可见，“千眼天珠”与“中国天眼”，双方虽各有优势，但联手能发挥更大作用。

随着国家重大科技基础设施综合效能的释放，“千眼天珠”一定能产出更多的高质量科研成果，为占据射电天文和太阳物理领域国际前沿，助力我国实现高水平科技自立自强作出更大贡献。

什么是子午工程？

子午者，南北也。子午工程是中国空间科学领域首个国家重大科技基础设施，一期工程2008年开工建设，2012年正式运行。

子午工程一期大部分观测设备，分布于东经120度子午线附近，如同古人利用长城烽火台传递情报信息，沿南北方向布局设备有利于捕获空间天气扰动的传播和演化过程。

为实现对我国领土的覆盖，以及对中、小尺度空间天气物理过程的探测，子午工程二期应运而生。在一期工程的基础上，它在东经100度和北纬40度附近，增加两条观测链形成“井”字形布局，空间环境监测网络，由此，子午工程将实现从地面对日地空间的三维立体式探测。“千眼天珠”是子午工程二期标志性设备之一。